Vietnamen’s Weblog

Time, Chances, Diligence, Intelligence: which is the most important?

X-ray crystallography

leave a comment »

Sinh học cấu trúc (structural biology) là ngành chuyên nghiên cứu cấu trúc của các phân tử sinh học như thế. Dựa vào cấu trúc 3D của các phân tử, ta có thể dự đoán chức năng và sự tương tác của nó với các phân tử khác ở cấp độ cơ bản nhất – nguyên tử.

Cách thông thường để xác định hình dáng một vật là nhìn trực tiếp vào nó. Với các vật rất nhỏ, như các phân tử, để xác định cấu trúc liên kết giữa các nguyên tử tạo nên phân tử đó, ta cần dùng kính hiển vi để phóng đại chúng lên hàng ngàn tỉ lần. Với khả năng hiện có, kính hiển vị điện tử (electron microscopes) cũng chỉ có thể phóng đại lên cỡ vài tỉ lần. Lí do là do giới hạn nhiễu xạ (diffraction limit): để có thể nhìn thấy một vật hoặc phân biệt được 2 vật điểm thì kích thước tối thiểu của vật hoặc khoảng cách tối thiểu giữa hai vật điểm lớn hơn 1/2 lần bước sóng đang sử dụng. Điều này thể hiện qua tiêu chuẩn Rayleigh hay diffraction limit:

(với là bước sóng ánh sáng sử dụng và là độ mở số (numerical aperture là đại lượng không có đơn vị với n là hệ số khúc xạ của môi trường: n=1 cho không khí, n=1.33 cho nước và n=1.56 cho dầu) và là khoảng cách tối thiểu để có thể phân biệt được 2 vật điểm)

Qua hình vẽ thu được, nơi nào có cường độ lớn (điểm màu đen) thì nơi đó là ảnh của vật thông qua lăng kính. Điều này sẽ được hiểu rõ qua hình ảnh nhiễu xạ tia X gồm các chấm đen là ảnh của các nguyên tử bên trong phân tử tinh thể ta đề cập ở sau.

Bước sóng của ánh sáng nhìn được vào khoảng vài trăm nanometers còn các nguyên tử thì có khoảng cách chỉ ở đơn vị hay . Bước sóng cần thiết để nhìn thấy các nguyên tử là bước sóng của tia X. Nhưng ta không thể tạo ra kính hiển vi tia X. Vì thế đòi hỏi ta phải dùng các kĩ thuật mang tính gián tiếp khác. Ta hình dung nó là một kính hiển vi hoạt động qua 2 giai đoạn. Ban đầu, ánh sáng chiếu vào các nguyên tử của phân tử và nhiễu xạ đi theo mọi hướng. Thấu kính (lens) sẽ thu nhận các nhiễu xạ đó và tái tạo chúng lại thành hình ảnh (intensity image). Việc tái tạo này phải nhờ đến máy tính.

Tuy nhiên, một khó khăn gặp phải là nhiễu xạ tia X từ một phân tử thì sẽ cho cường độ thu được trên ảnh rất yếu và khó phân biệt với nhiễu. Do đó, người ta sử dụng tinh thể.

Tinh thể sắp xếp một lượng lớn các phân tử theo một trật tự và hướng giống nhau, nhờ thế các sóng nhiễu xạ sẽ cộng hưởng pha (ở một số hướng) làm tăng cường độ hiển thị lên máy đo. Hiển nhiên, ở một số hướng khác, các nhiễu xạ này cũng triệt từ nhau. Đó là lí do mà mẫu nhiễu xạ chỉ là mảng các điểm. Vì thế, việc tạo ra một tinh thể tốt đóng vai trò cực kì quan trọng để thu được hình ảnh có giá trị. Đó là khởi nguồn của kĩ thuật tinh thể học tia X.

Tinh thể học (Crystallography) là ngành khoa học thực nghiệm nhằm xác định sự sắp xếp của các nguyên tử trong một khối rắn mà thường là ở dạng tinh thể (crystal).

  • Trước khi có phương pháp tinh thể học tia X: Việc tìm hiểu tinh thể là dựa vào đặc tính hình học của tinh thể. Để biết được cấu trúc 3D, người ta đo các góc của bề mặt tinh thể so với các trục tham chiếu tưởng tượng (crystallographic axes) và từ đó cho ra hình ảnh hình học có tính đối xứng của tinh thể. Hình ảnh 3D này được chiếu lên mặt phẳng dùng phép chiếu lập thể (stereographic projection) để chiếu mặt cầu lên mặt phẳng. Phép chiếu này bảo toàn góc nhưng không bảo toàn diện tích.
  • Phương pháp tinh thể học tia X thì dựa vào máy đo góc (goniometer): Việc xác định trật tự của các nguyên tử dựa vào sự phân tích các mẫu nhiễu xạ (diffraction patterns) thu được sau khi chiếu tia X vào tinh thể các chất/phân tử cần phân tích ở dạng rắn tinh thể. Ngoài tia X, người ta còn dùng electron (electron diffraction) hoặc neutron (neutron diffraction) cho một số mục đích đặc biệt.

Tinh thể học tia X (X-ray crystallography) được ứng dụng nhiều trong sinh học để xác định cấu trúc của các đại phân tử như protein, DNA hay RNA. Và các phân tử này phải được chuyển về dạng tinh thể. Lí do sử dụng tia X là vì ta không thể nhìn thấy chi tiết một vật nhỏ hơn nửa bước sóng đang sử dụng. Mà kích thước nguyên tử quá nhỏ, nên phải dùng tia X vì có bước sóng đủ ngắn để thấy được chi tiết nguyên tử. Tuy nhiên, năng lượng sóng thì tỉ lệ nghịch với bước sóng, nghĩa là bước sóng càng ngắn thì năng lượng càng cao, càng dễ phá hỏng mẫu phân tử sinh học. Đó là lí do mà phải chuyển về dạng tinh thể để giảm sự phá hoại của tia X.

Tia X khi chiếu vào tinh thể sẽ tương tác với các electron hóa tri (valence electron) của các nguyên tử thành phần được phân bố trong không gian. Các electron này sẽ tán xạ (scatter) tia X ra các hướng, tùy vào sự sắp xếp trong không gian của nguyên tử. [Cái này cũng giống như dùng một đèn pin lớn chiếu vào một cây đèn chùm (chandelier) mà ta không được phép nhìn thấy. Dù không biết cây đèn chùm hình dáng thể nào, nhưng dựa vào bóng phản chiếu (các pattern) ta cũng có thể dự đoán sự sắp xếp của các mảnh thủy tinh trên cây đèn chùm] Một màn hình sẽ ở phía sau để lưu lại ví trí tán xạ và cường độ của tia X bị tán xạ. Sau khi có các dữ liệu này rồi, người ta sẽ dùng các công thức tính toán phức tạp để xác định vị trí các electron bao quanh các nguyên tử và từ đó suy ra vị trí các nguyên tử.

Các mẫu nhiễu xạ thu được sẽ có mối quan hệ với vật phát tán các sóng chiếu tới nó thông qua một phép toán biển đổi gọi là biến đổi Fourier (Fourier transform). Nếu mật độ các electron (electron density) bao quanh mỗi nguyên tử là một hàm toán học, thì mẫu nhiễu xạ tia X thu được tương ứng là biến đối Fourier của hàm đó. Với tính chất có thể biến đổi ngược của phép biến đổi Fourier, ta có thể dùng máy tính để xây dựng lại hình ảnh mật độ electron dựa vào ảnh mẫu nhiễu xạ.

PDB (Protein Data Bank) lưu trữ cấu trúc protein và các phân tử sinh học khác miễn phí sử dụng. Để hiển thị cấu trúc 3D của chúng, ta dùng phần mềm RasMol hay Pymol.

LINK:

  1. http://www.ruppweb.org/Xray/101index.html (một tutorial rất hay của Dr. Bernhard Rupp)
  2. http://vi.wikipedia.org/wiki/Ph%C3%A9p_chi%E1%BA%BFu_l%E1%BA%ADp_th%E1%BB%83 (Phép chiếu lập thể)
  3. http://vi.wikipedia.org/wiki/Tinh_th%E1%BB%83_h%E1%BB%8Dc_tia_X (Tinh thể học tia X)
  4. http://en.wikibooks.org/wiki/Xray_Crystallography (Wiki book về Tinh thể học tia X)
  5. http://www-structmed.cimr.cam.ac.uk/Course/Overview/Overview.html
  6. http://www.astro.cornell.edu/academics/courses/astro201/diff_limit.htm (diffraction limit)
  7. http://www.physik.fu-berlin.de/~bauer/habil_online/node15.html (diffraction limit)
  8. http://en.wikipedia.org/wiki/Numerical_aperture (numerical aperture)
  9. http://en.wikipedia.org/wiki/Watson_and_Crick

Written by vietnamen

Tháng Mười 28, 2008 lúc 6:45 chiều

Gửi phản hồi

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Log Out / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Log Out / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Log Out / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Log Out / Thay đổi )

Connecting to %s

%d bloggers like this: